名詞解釋：
指令重排是計算機為了優化執行效率，在不改變單線程程序結果的前提下，對代碼的執行順序進行重新排列的操作。它可能發生在編譯階段（編譯器優化）或CPU運行階段（處理器優化）。
舉個栗子🌰：做飯的步驟
假設你要做一道菜，步驟是：
- 洗鍋 → 2. 熱油 → 3. 放菜 → 4. 翻炒
指令重排后可能變成：
- 洗鍋 → 3. 放菜（未熱油） → 2. 熱油 → 4. 翻炒
→ 單線程下沒問題（最終菜還是熟的），但多線程下可能翻車（其他線程看到“放菜”時油還沒熱）！
為什么需要指令重排？
- 提高執行效率：CPU和編譯器會通過重排指令，充分利用硬件資源（如并行執行不沖突的操作）。
- 減少等待時間：避免因某些操作（如內存讀取延遲）導致的空閑等待。
多線程環境中的問題
指令重排在單線程無感知，但在多線程并發時可能導致意外結果。
經典案例：雙重檢查鎖（DCL）單例模式
public class Singleton {private static Singleton instance;public static Singleton getInstance() {if (instance == null) { // 第一次檢查synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) { // 第二次檢查instance = new Singleton(); // 問題在此！}}}return instance;}
}
問題分析：
instance = new Singleton() 實際分為三步：
- 分配內存空間
- 初始化對象
- 將引用指向內存地址
指令重排可能導致步驟2和3顛倒：
→ 其他線程可能在對象未初始化完成時，拿到非空的instance，導致使用錯誤！
如何禁止指令重排？
-
使用
volatile關鍵字：
→ 修飾變量（如private volatile static Singleton instance;），通過插入內存屏障禁止重排序。
→ 解決上述DCL單例問題。 -
使用
synchronized或Lock：
→ 同步代碼塊保證原子性和可見性，隱含禁止重排序。
總結
- 指令重排：優化手段，單線程安全，多線程需警惕。
- 解決方案：
volatile或同步機制確保多線程下的順序一致性。
在 Java 中，volatile、synchronized 和 Lock 是解決并發問題的三種重要工具。它們有不同的使用場景和特點，下面分別介紹它們的用途、常用方法以及適用場景。
1. volatile
用途
- 保證可見性：確保一個線程對
共享變量的修改對其他線程立即可見。 - 防止指令重排序：通過插入內存屏障（Memory Barrier）禁止某些編譯器或處理器的指令重排序優化。
特點
- 只適用于單個變量。
- 不保證復合操作（如
x++）的原子性。 - 開銷較小，性能優于
synchronized。
常用場景
- 用于狀態標志位（如開關標志）。
- 當只需要保證可見性和有序性時使用。
例子
class VolatileExample {private volatile boolean flag = true;public void stop() {flag = false; // 修改flag，其他線程會立即看到}public void run() {while (flag) {// 執行任務}System.out.println("Thread stopped");}
}
2. synchronized
用途
- 保證互斥性：同一時刻只有一個線程可以執行被同步保護的代碼塊。
- 保證可見性：當一個線程釋放鎖時，會將修改后的變量值刷新到主存中，其他線程獲取鎖時會從主存中讀取最新值。
- 防止指令重排序：通過插入內存屏障確保有序性。
特點
- 可以作用于代碼塊或方法。
- 提供了內置鎖機制，簡單易用。
- 性能較低（相對
volatile），但在復雜場景下更可靠。
常用方法/用法
-
同步方法：
- 使用
synchronized修飾方法，鎖定當前對象（即this）。
public synchronized void increment() {count++; } - 使用
-
同步代碼塊：
- 使用
synchronized修飾代碼塊，指定鎖對象。
public void increment() {synchronized (lock) {count++;} } - 使用
-
靜態同步方法：
- 鎖定的是類對象（
Class實例）。
public static synchronized void incrementStatic() {staticCount++; } - 鎖定的是類對象（
例子
class SynchronizedExample {private int count = 0;public synchronized void increment() {count++; // 線程安全}public synchronized int getCount() {return count;}
}
3. Lock（ReentrantLock）
用途
- 提供比
synchronized更靈活的鎖機制：- 支持公平鎖和非公平鎖。
- 支持嘗試獲取鎖（
tryLock()）。 - 支持可中斷鎖（
lockInterruptibly()）。 - 支持超時獲取鎖（
tryLock(long timeout, TimeUnit unit)）。
- 保證互斥性、可見性和有序性。
特點
- 需要手動加鎖和解鎖（容易忘記解鎖，導致死鎖）。
- 提供更多功能，但使用復雜度更高。
- 性能通常優于
synchronized（尤其是在高競爭情況下）。
常用方法
-
核心接口：
java.util.concurrent.locks.Lockvoid lock()：獲取鎖，如果鎖不可用則阻塞。void unlock()：釋放鎖。boolean tryLock()：嘗試獲取鎖，成功返回true，失敗返回false。boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：嘗試在指定時間內獲取鎖。void lockInterruptibly()：獲取鎖，但可以響應中斷。
-
實現類：
ReentrantLock- 可重入鎖，支持公平鎖和非公平鎖。
例子
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;class LockExample {private int count = 0;private final Lock lock = new ReentrantLock();public void increment() {lock.lock(); // 加鎖try {count++; // 線程安全} finally {lock.unlock(); // 釋放鎖}}public int getCount() {lock.lock();try {return count;} finally {lock.unlock();}}
}
對比總結
| 特性 | volatile | synchronized | Lock（ReentrantLock） |
|---|---|---|---|
| 互斥性 | 不支持 | 支持 | 支持 |
| 可見性 | 支持 | 支持 | 支持 |
| 有序性 | 支持（禁止重排序） | 支持 | 支持 |
| 原子性 | 不支持復合操作 | 支持 | 支持 |
| 靈活性 | 低 | 中 | 高 |
| 性能 | 高 | 中 | 高（高競爭下優于synchronized） |
| 適用場景 | 單個變量的狀態標志 | 方法或代碼塊的同步 | 需要高級功能（如嘗試鎖、公平鎖等） |
選擇建議
- 優先使用
volatile：- 如果只需要保證可見性和有序性，并且不涉及復合操作。
- 使用
synchronized：- 如果需要簡單的互斥性、可見性和有序性，且不需要額外的功能。
- 使用
Lock：- 如果需要更靈活的鎖機制（如嘗試鎖、超時鎖、公平鎖等）。
通過合理選擇工具，可以在保證線程安全的同時，提升程序的性能和可維護性。
